FR2883671A1 - Antenne ultra-large bande offrant une grande flexibilite de conception - Google Patents

Abstract

L'invention propose une antenne ultra large bande (1) caractérisée en ce qu'elle comporte :- une zone (2) définie entre des première (3) et deuxième (4) surfaces conformées (3, 4) présentant une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal (Z) de l'antenne, et qui sont disposées l'une en regard de l'autre par rapport à un plan orthogonal à l'axe longitudinal (Z) et contenant l'axe horizontal (X), de sorte à faire régner dans la zone (2) un champ électromagnétique dont des caractéristiques sont telles qu'un signal (5) fourni dans une région centrale de cette zone (2) se propage dans une direction azimutale,- un moyen d'excitation (6) s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal (Z) et apte à fournir le signal (5) dans la région centrale,- un moyen d'adaptation (7), associé à la première surface conformée (3), faisant saillie dans la région centrale de la zone (2) et en direction de la deuxième surface conformée (4), le moyen d'adaptation étant apte à favoriser un couplage localisé entre le moyen d'excitation (6) et ladite zone (2).

Description

2883671 1

La présente invention concerne des antennes de télécommunication, en particulier des antennes du type ultra large bande (ULB).

Ce type d'antenne existe depuis longtemps dans le domaine des radars civils ou militaires, mais son attrait pour des applications grand public n'est apparu que récemment.

A titre d'exemple non limitatif, on sait aujourd'hui que de telles antennes ouvrent des perspectives très intéressantes dans le domaine des applications multimédia haut débit, et ce pour une cible domestique ou professionnelle. Il existe bien entendu d'autres exemples d'application de ces antennes, mais en tout état de cause, un intérêt connu d'utiliser une technologie ULB, par rapport à une technologie radio classique (par exemple du type bande étroite avec porteuse), est d'offrir des possibilités de débits très élevés.

Un autre avantage connu de la technologie ULB est qu'elle présente une très grande robustesse vis-à-vis des problèmes d'interférences et d'évanouissements d'un signal dans les cas d'une propagation à trajets multiples.

Un autre avantage connu de cette technologie ULB est qu'elle possède un spectre en fréquence extrêmement large.

A titre d'exemple, une récente réglementation de la FCC (Federal Communications Commission) permet d'utiliser sans licence une bande de fréquence comprise entre 3.1GHz et 10.6GHz.

En tant que composant fondamental d'un tel système de communication, de nombreuses réalisations d'antenne ULB ont déjà été proposées.

On connaît par exemple une première grande famille d'antennes ULB correspondant à des antennes du type dipôle (par exemple du type 2883671 2 biconique, planaire de géométrie carré ou triangulaire) et du type monopôle (comme par exemple les antennes du type monopôle conique) [1 - 6] . On notera en l'occurrence que dans le cas des antennes du type dipôle, des solutions avec des éléments rayonnants de forme symétrique ou dissymétrique [4] ont été proposées.

Bien que les antennes de cette première famille puissent fournir de bonnes performances, un problème est que leur dimensionnement est dépendant de la fréquence de travail de l'antenne.

Plus précisément, la dimension notamment des éléments rayonnants est imposée par la plus basse fréquence de travail utilisée dans l'application visée.

Ainsi dans le cas d'une antenne du type dipôle biconique, la dimension de chacun des cônes est égale à ? /4, où 2L, est la longueur d'onde de travail la plus grande dans l'application visée.

Par conséquent, connaissant les fréquences de travail de ladite application, un concepteur d'une telle antenne dispose de peu de paramètres de liberté pour la réaliser.

Et il peut en découler que l'antenne ne réponde pas à un cahier des charges précis en terme notamment de compacité.

On connaît aussi une deuxième grande famille d'antennes ULB. Elle regroupe les antennes du type à configurations cornets [7 10].

On connaît notamment des antennes avec des éléments rayonnants du type cornets coaxiaux ou cornets TEM (acronyme de l'expression Transverse Electro Magnetic en langue anglo-saxonne).

D'autres variantes dans cette deuxième famille d'antennes reposent encore classiquement sur l'utilisation d'éléments rayonnants à profils conformés, le 2883671 3 plus souvent suivant des lois exponentielles, et des systèmes d'excitation à base de baluns ou de cavités [9-10].

Dans le cas des antennes de cette famille, le concepteur peut jouer sur un nombre de paramètres de liberté plus important que précédemment.

En particulier, la contrainte sur la dimension des éléments rayonnants en fonction des fréquences de travail est relâchée, ce qui offre la possibilité par exemple d'utiliser des éléments rayonnants de dimensions plus petites que celle de la première famille d'antennes.

Il n'empêche que la flexibilité de conception des antennes de cette deuxième grande famille demeure encore insuffisante pour répondre à des cahiers des charges très variés, et ce tout en conservant une bonne compacité. A titre d'exemple, afin d'améliorer les performances de l'antenne, en particulier lorsque ses dimensions sont réduites, on utilise un élément d'adaptation graduel qui permet d'obtenir un couplage avec une transition douce entre un élément d'excitation et les éléments rayonnants.

Mais maintenant, c'est cet élément d'adaptation graduel qui, de par son principe de fonctionnement, occupe une place non négligeable et qui conduit inéluctablement à une antenne peu compacte.

Finalement, une troisième grande famille d'antennes correspond à des antennes à fentes profilées.

On connaît en particulier une antenne comportant des éléments rayonnants en configuration planaire à doubles fentes [11].

Une autre antenne de cette troisième grande famille comporte des éléments rayonnants en configuration à deux doubles fentes planaires positionnées perpendiculairement [12].

2883671 4 Un inconvénient de ces antennes est qu'elles ne permettent pas d'obtenir un diagramme de rayonnement homogène dans un plan azimutal.

En outre, si des éléments d'adaptation ont également été proposés avec ces antennes, leur dimensionnement est malheureusement imposé par la fréquence de travail la plus basse du cahier des charges.

En particulier, la dimension doit être égale à X/4, ce qui conduit ici encore à limiter la compacité de l'antenne.

Un but de l'invention est donc de proposer une antenne améliorée.

En particulier, l'invention a pour but de proposer une antenne ULB à rayonnement omnidirectionnel dans un plan azimutal et à valeur de gain la plus constante possible avec la fréquence dans ce plan.

En outre, l'antenne de l'invention possède avantageusement une géométrie simple et permet une grande flexibilité de conception pour répondre à des cahiers des charges très différents.

Par ailleurs, notamment grâce à cette grande simplicité de réalisation, elle peut répondre à de nombreuses autres contraintes comme notamment une grande reproductibilité technologique, un faible coût et un faible encombrement.

L'invention propose ainsi une antenne ultra large bande caractérisée en ce qu'elle comporte: - une zone définie entre des première et deuxième surfaces conformées présentant une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal de l'antenne, et qui sont disposées l'une en regard de l'autre par rapport à un plan orthogonal à l'axe longitudinal et contenant l'axe horizontal, de sorte à faire régner dans la zone un champ électromagnétique dont des 2883671 5 caractéristiques sont telles qu'un signal fourni dans une région centrale de cette zone se propage dans une direction azimutale, - un moyen d'excitation s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal et apte à fournir le signal dans la région centrale, un moyen d'adaptation, associé à la première surface conformée, faisant saillie dans la région centrale de la zone et en direction de la deuxième surface conformée, le moyen d'adaptation étant apte à favoriser un couplage localisé entre le moyen d'excitation et ladite zone.

Des aspects préférés non limitatifs de cette antenne sont les suivants: la zone est entièrement remplie d'air; - la zone comporte un monobloc de matériau qui possède une symétrie de révolution par rapport à l'axe longitudinal; - la zone est entièrement remplie par le monobloc de matériau; - les deux surfaces conformées sont formées respectivement par deux éléments distincts; - le monobloc de matériau est agencé pour supporter les deux éléments distincts; - l'antenne comporte en outre dans ladite zone des entretoises et/ou des tiges dont des extrémités sont solidaires des deux éléments distincts; - les deux surfaces conformées correspondent respectivement à des première et deuxième surfaces opposées du monobloc de matériau de sorte que ces deux surfaces conformées et ce monobloc de matériau ne forment qu'une seule pièce; - le monobloc de matériau possède en outre une tranche externe en contact avec l'air et constituant un côté extérieur de l'antenne; 2883671 6 - le monobloc de matériau possède en outre une tranche interne enfermant au moins en partie la région centrale de la zone; - la région centrale enfermée au moins en partie par la tranche interne comporte de l'air; - la ou les tranches du monobloc de matériau ont un profil qui permet de contrôler les caractéristiques du champ électromagnétique dans la zone; - au moins une portion du profil de la ou des tranche(s) du monobloc de matériau possède, en coupe longitudinale, une forme choisie parmi les suivantes: a. rectiligne, b. concave par rapport à l'axe longitudinal, c. convexe par rapport à l'axe longitudinal; - au moins une portion d'un profil de chacune des deux surfaces conformées possède, en coupe longitudinale, une forme choisie parmi les suivantes: a. rectiligne, b. concave par rapport au plan orthogonal à l'axe longitudinal et contenant l'axe horizontal, c. convexe par rapport au plan orthogonal à l'axe longitudinal et contenant l'axe horizontal; - le profil de l'une au moins des deux surfaces conformées comporte au moins un point d'inflexion; - la deuxième surface conformée comporte sensiblement en son centre un orifice, ledit orifice comportant une partie au moins du moyen d'excitation; - une extrémité du moyen d'excitation est en contact avec le moyen d'adaptation; 2883671 7 le moyen d'excitation est une ligne coaxiale possédant une âme centrale dont une extrémité est en contact avec le moyen d'adaptation; - le monobloc de matériau est un matériau diélectrique du type pris dans la liste suivante: mousse, plastique, céramique; - la ou les tranche(s) comporte(nt) des motifs conducteurs; - l'antenne possède une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal; - l'antenne est agencée pour accueillir non loin d'elle un circuit électronique et pour le protéger du champ électromagnétique qu'elle rayonne; - le circuit électronique est disposé aussi proche que possible de l'antenne; - la deuxième surface conformée forme un évidement à l'extérieur de l'antenne et en ce que le circuit électronique est intégré dans cet évidement; - le moyen d'adaptation et le monobloc de matériau sont d'une seule pièce; - le moyen d'adaptation est un ergot; - les deux surfaces conformées sont métallisées.

Par ailleurs, l'invention propose également un système de télécommunication caractérisé en ce qu'il comporte une antenne ultra large bande dotée des caractéristiques susmentionnées prises seules ou en combinaison.

Ainsi, la combinaison appropriée des différents moyens présentés cidessus permet d'offrir de nombreux paramètres de liberté à un concepteur d'antenne ULB et de réaliser celle-ci de manière simple en disposant des avantages de l'invention, notamment de pouvoir répondre à un cahier des charges varié tout en demeurant compacte.

D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante de l'invention, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: 2883671 8 - la figure 1 est une vue en coupe selon un plan contenant l'axe longitudinal (Z) d'une antenne conforme à l'invention possédant deux surfaces conformées disposées symétriquement par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal (Z) et contenant l'axe horizontal (X), - la figure 2 est une vue agrandie en coupe longitudinale de la région centrale de la zone, dans laquelle se trouvent les éléments d'excitation et d'adaptation, - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale de deux antennes conformes à l'invention possédant chacune deux surfaces conformées dont le profil est sensiblement différent de celui de l'antenne montrée à la figure 1, - la figure 4 est une antenne de l'invention dans laquelle la zone est entièrement remplie d'air, - la figure 5 est une antenne de l'invention comportant dans la zone un monobloc de matériau qui possède deux tranches (T et T'), - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'une antenne conforme à l'invention possédant deux surfaces conformées dont le profil est différent et dont la tranche (T) a un profil parallèle à l'axe longitudinal (Z), - la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'une antenne conforme à l'invention possédant deux surfaces conformées dont le profil est différent et dont la tranche (T) a un profil rectiligne incliné par rapport à l'axe longitudinal, - la figure 8 est une variante de l'antenne de la figure 7 dans laquelle on joue encore sur le profil des surfaces en regard, et de la tranche (T), - la figure 9 montre en coupe longitudinale une antenne de l'invention dont la tranche (T) du monobloc de matériau possède un profil bombé vers l'extérieur de l'antenne, 2883671 9 - la figure 10 montre en coupe longitudinale une antenne de l'invention dont la tranche (T) du monobloc de matériau possède un profil bombé vers l'intérieur de l'antenne, - la figure 11 est une antenne de l'invention dont la tranche (T) comporte en surface des motifs conducteurs, - la figure 12 illustre l'intégration d'un circuit électronique dans un évidement externe d'une antenne de l'invention, - la figure 13 est un exemple de réalisation détaillé d'une antenne de l'invention, - la figure 14 montre une simulation de l'adaptation en fonction d'une bande de fréquence choisie de l'antenne prise comme exemple à la figure 13, - la figure 15 montre des simulations de diagrammes de rayonnement en azimut et en élévation de l'antenne de la figure 13, et ce pour différentes fréquences de ladite bande de fréquence, - la figure 16 montre des mesures d'adaptation et de gain de l'antenne de la figure 13 dans le plan azimutal, - la figure 17 est un deuxième exemple de réalisation détaillé d'une antenne de l'invention, - la figure 18 montre une simulation de l'adaptation en fonction de la bande de fréquence choisie de l'antenne prise comme exemple à la figure 17, - la figure 19 montre des simulations de diagrammes de rayonnement en azimut et en élévation de l'antenne de la figure 17, et ce pour différentes fréquences de ladite bande de fréquence, - la figure 20 montre des mesures d'adaptation et de gain de l'antenne de la figure 17 dans le plan azimutal.

2883671 10 - la figure 21 est un troisième exemple de réalisation détaillée d'une antenne de l'invention, - la figure 22 montre des mesures d'adaptation et de gain de l'antenne de la figure 21 dans le plan azimutal.

On notera à titre préliminaire que dans le texte suivant le terme distal s'entend par rapport au centre de l'antenne.

Par ailleurs, afin de simplifier la lecture, on supposera que l'axe longitudinal (Z) est aligné avec un axe vertical et qu'ainsi l'axe (X) représenté sur la figure est aligné avec un axe horizontal.

En se référant maintenant à la figure 1, on a représenté en coupe suivant un plan contenant l'axe longitudinal (Z) une antenne ultra large bande 1 selon un mode de réalisation de l'invention.

Cette antenne 1 comporte deux surfaces conformées 3 et 4 identiques en regard l'une de l'autre par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal (Z) et contenant l'axe horizontal (X) .

Une zone 2 est définie entre ces deux surfaces conformées.

La zone 2 présente donc généralement un contour parfaitement délimité par les deux surfaces conformées 3 et 4 en regard.

Dans ce mode de réalisation, ces dernières possèdent un profil (C) en forme de parabole ouverte respectivement vers le haut et vers le bas.

Cependant, quel que soit le profil que l'on choisira, on fera toujours en sorte que sa forme soit telle qu'un champ électromagnétique régnant dans la zone 2 possède des caractéristiques qui permettent à un signal 5 fourni dans la région centrale de cette zone de se propager dans une direction azimutale, et ce avec un gain le plus constant possible avec la fréquence.

2883671 11 Par conséquent, selon l'invention, le profil (C) des surfaces conformées représente un paramètre de liberté de conception de l'antenne.

Cet aspect sera décrit plus en détail plus tard.

Pour revenir maintenant à la figure 1, l'axe horizontal (X) correspond à un axe de symétrie pour ces deux surfaces 3 et 4 et donc pour la zone 2.

Plus généralement encore, l'antenne, ou tout du moins les deux surfaces conformées, possèdent une symétrie de révolution autour de l'axe vertical (Z), ce qui contribue notamment à obtenir une grande uniformité du diagramme de rayonnement de l'antenne dans le plan azimutal.

Celle-ci comporte en outre un moyen d'excitation 6, typiquement une ligne coaxiale, s'étendant parallèlement à l'axe vertical (Z) et apte à fournir un signal 5 dans une région centrale de la zone 2.

Une partie de ce moyen d'excitation est intégrée dans un orifice traversant vertical réalisé sensiblement au centre de la surface conformée 4.

De cette manière, le moyen d'excitation 6 peut atteindre la région centrale de la zone 2 depuis l'extérieur en bas de l'antenne.

Plus précisément encore, le moyen d'excitation 6 traverse également la région centrale de la zone 2 pour venir en contact intime avec un moyen d'adaptation local 7 disposé au centre, sous la surface conformée 3.

Par conséquent, le moyen d'adaptation 7 se trouve sensiblement en face de l'orifice traversant.

Tel qu'illustré sur la figure 1, le moyen d'adaptation 7 se présente sous la forme d'un ergot cylindrique faisant saillie depuis la surface 3 en direction de l'orifice traversant.

2883671 12 Un tel moyen d'adaptation permet de favoriser localement une transition du signal entre le moyen d'excitation 6 et la zone 2 tout en restant de dimension réduite.

La figure 2 montre une vue en coupe longitudinale détaillée de la région centrale de la zone 2.

On retiendra simplement pour la suite de la description, que l'ergot 7 possède un diamètre et une hauteur notés respectivement d et h. On retiendra également qu'il existe un espace paramétrable de longueur e suivant l'axe vertical entre l'extrémité inférieure de l'ergot 7 et l'extrémité supérieure de l'orifice traversant.

Comme évoqué précédemment, le moyen d'excitation représenté ici à titre d'exemple non limitatif est une ligne coaxiale 6 comportant une âme centrale 6" reliée à l'extrémité inférieure de l'ergot 7 et un conducteur périphérique 6' entourant l'âme centrale 6" et relié électriquement à la surface conformée 4.

A cet égard, il convient de noter que les surfaces conformées 3 et 4 sont recouvertes d'une fine couche de matériau conducteur.

On va maintenant décrire plus en détails la zone 2.

A cet égard, la figure 3 illustre une variante préférée de l'invention.

On y a représenté deux antennes dont la zone 2 est entièrement remplie par un monobloc de matériau 10.

Ce monobloc 10 s'étend donc autour de l'axe vertical (Z) et depuis la région centrale jusqu'à l'extrémité de l'antenne définie par le bord distal des surfaces conformées 3 et 4.

La surface du monobloc 10 qui se trouve en contact avec l'air sur un côté de l'antenne constitue une tranche (T) dont le profil pourra servir de paramètre de liberté à la conception de l'antenne.

2883671 13 On remarquera également dans cette variante, que les deux surfaces conformées 3 et 4 sont respectivement les surfaces supérieure et inférieure du monobloc de matériau 10 de sorte qu'il n'existe qu'une seule pièce physique. Ainsi, l'essentiel du volume de la zone 2 est en quelque sorte définie par le volume du monobloc de matériau 10 lui-même.

On remarquera aussi que le moyen d'adaptation 7 et le monobloc de matériau 10 sont eux aussi d'une seule pièce.

Dans une autre variante, les deux surfaces conformées 3 et 4 sont formées respectivement par deux éléments distincts 3' et 4', c'est-à-dire deux pièces 10 physiques indépendantes.

La zone 2 peut alors être entièrement remplie d'air, comme illustré à la figure 4.

On prévoit dans ce cas des moyens 10' dans ladite zone (2) pour fixer les deux éléments 3' et 4' l'un vis-à-vis de l'autre.

Ces moyens de fixation 10' sont par exemple des entretoises et/ou des tiges réparties autour de l'axe vertical (Z) et dont les extrémités sont fixées aux éléments 3' et 4'.

La zone 2 peut aussi être constituée par de l'air et par le monobloc de matériau 10.

Un exemple non limitatif est donné à la figure 5.

Le monobloc de matériau 10 possède ici deux tranches (T) et (T') en contact avec l'air.

Plus précisément, il possède une tranche externe (T) constituant un côté extérieur de l'antenne et une tranche interne (T') enfermant au moins en 25 partie la région centrale de la zone 2.

2883671 14 Ainsi, vu en coupe horizontale, le monobloc 10 correspond à un anneau disposé autour de l'axe vertical (Z).

La tranche interne (T') enferme de l'air, mais l'invention prévoit également qu'elle puisse enfermer un autre gaz, ayant de préférence des propriétés diélectriques.

Avantageusement le monobloc 10 constitue un support pour les deux éléments distincts 3' et 4'.

Mais, il est également possible de renforcer la rigidité de l'antenne par les moyens de fixations 10' (non représentés sur la figure 5) tels que les tiges ou entretoises susmentionnées.

Comme on peut le voir d'après la description ci-dessus, un concepteur dispose donc, d'ores et déjà, d'une grande souplesse de conception d'une antenne ULB pour un cahier des charges donné.

Mais, l'antenne de l'invention offre encore un plus grand nombre de paramètres de liberté.

Comme évoqué précédemment, un paramètre de liberté fondamental consiste à jouer sur le profil (C, C') des surfaces conformées 3 et 4. Selon l'invention, au moins une portion de ces profils (C, C') possède, en coupe longitudinale, une forme choisie parmi les suivantes: a. rectiligne, b. concave par rapport au plan orthogonal à l'axe longitudinal (Z) et contenant l'axe horizontal (X), c. convexe par rapport au plan orthogonal à l'axe longitudinal (Z) et contenant l'axe horizontal (X).

2883671 15 Ainsi, chacune des deux surfaces 3 et 4 peut consister en une juxtaposition de plusieurs portions de surface, ces portions ayant un profil de forme éventuellement différent les unes des autres.

Bien entendu il n'est pas exclu que ces deux surfaces conformées aient un profil qui, dans son ensemble, possède une des formes listées ci-dessus. Ceci est d'ailleurs illustré de manière générale par les figures annexées.

Par exemple, les figures 1 et 3 montraient deux surfaces conformées 3 et 4 symétriques par rapport à l'axe horizontal avec un profil (C) qui dans son ensemble possédait une forme de parabole convexe par rapport à cet axe.

La figure 3B diffère notamment de la figure 3A par le fait que les profils (C) présentent un point d'inflexion.

Sur la figure 6, les surfaces 3 et 4 présentent un profil (C, C') en forme de parabole ouverte vers le haut et vers le bas comme notamment à la figure 1, mais avec des courbures globalement différentes.

Et contrairement au profil (C) de la surface 4, le profil (C') de la surface 3 comporte notamment un point d'inflexion.

La figure 7 montre un exemple d'antenne dont le profil (C') de la surface conformée 3 est évasé au point qu'il devient horizontal aux extrémités distales.

Tel qu'illustré sur ces deux dernières figures et la figure 8, on peut remarquer que le concepteur peut également jouer sur le fait que la symétrie des profils (C, C') des surfaces 4 et 3 n'est pas obligatoire.

Sur les exemples donnés aux figures 6 à 8, on désigne par H et H' la hauteur du profil (C) et (C') des surfaces respectives 4 et 3.

2883671 16 Il est entendu que la hauteur en question correspond à la distance projetée sur l'axe vertical entre une extrémité distale du profil et son centre situé sur ledit axe vertical.

Par ailleurs, on désigne par R et R' les rayons des surfaces respectives 4 et 3.

Finalement, S désigne la plus petite distance qui sépare les deux surfaces conformées 3 et 4, ou encore la distance qui sépare ces deux surfaces au centre de la zone 2.

Compte tenu de ces définitions, l'antenne de la figure 8 est définie par le système suivant: (C')(C),H'>H,R'<R Dans le même esprit, l'antenne de la figure 6 est définie par le système: (C')(C),H'=H, R'=R et celui de la figure 7: (C')(C),H'>H,R'>R Bien entendu, il existe d'autres systèmes possibles dans lesquels on joue sur une dissymétrisation des profils des surfaces en regard 3 et 4 en faisant varier au moins l'un des paramètres H, R et le profil (C).

Un autre paramètre de liberté fondamental offert au concepteur consiste à jouer sur le profil de la ou des tranches (T, T') du monobloc de matériau 10.

A l'instar du profil (C, C') des surfaces conformées 4 et 3, une portion au moins des profils de la ou des tranches (T, T') possède, en coupe longitudinale, une forme choisie parmi les suivantes: a. rectiligne, b. concave par rapport au plan orthogonal à l'axe longitudinal (Z), et contenant l'axe horizontal (X), 2883671 17 c. convexe par rapport au plan orthogonal à l'axe longitudinal (Z), et contenant l'axe horizontal (X).

Ainsi, une tranche peut consister en une juxtaposition de plusieurs portions de tranche, ces portions de tranche ayant un profil de forme éventuellement différent les unes des autres.

Bien entendu il n'est pas exclu que ces deux surfaces conformées aient un profil qui, dans son ensemble, possède une des formes de la liste cidessus. A tire d'exemple non limitatif et d'après les figures 3 à 8 notamment, le profil d'une tranche externe et/ou interne peut donc être, dans son ensemble, rectiligne incliné ou non par rapport à l'axe longitudinal (figures 3, 5, 6, 7 et 8 par exemple), bombé vers l'extérieur (figure 9), ou bombé vers l'intérieur (figure 10).

Un autre paramètre de liberté offert au concepteur est de pouvoir disposer au moins un motif conducteur 11 sur une tranche du monobloc 10 de sorte à contribuer une fois de plus au contrôle des caractéristiques du champ électromagnétique dans la zone 2, à savoir au contrôle des caractéristiques de rayonnement de l'antenne comme en particulier l'allure des diagrammes de rayonnement, la valeur de la directivité ou la polarisation.

Sur la figure 11 par exemple, plusieurs motifs conducteurs sont imprimés sur la tranche externe (T) de l'antenne.

Un autre paramètre de liberté encore consiste à jouer sur la géométrie de l'ergot 7 en modifiant soit sa forme, soit ses dimensions d et/ou h. A titre d'exemple non limitatif, l'ergot peut avoir une forme de trapèze en coupe longitudinale, le côté le plus petit étant celui du bas.

Sur la figure 12, on a illustré un avantage supplémentaire de l'antenne selon l'invention.

2883671 18 En effet, l'antenne peut être agencée pour accueillir non loin d'elle un circuit électronique 12 et pour le protéger du champ électromagnétique qu'elle rayonne.

De préférence, le circuit électronique 12 est disposé aussi proche que possible de l'antenne (1), ce qui permet en outre d'optimiser le rapport signal à bruit. Tel qu'illustré à la figure 12 toujours, le circuit est intégré dans un évidement 13 à l'extérieur de l'antenne.

Lorsque l'antenne est vue d'en bas, cet évidement 13 correspond dans cet exemple non limitatif à l'évidement formé par la forme concave du profil (C) de la deuxième surface conformée 4.

On va maintenant présenter un procédé de fabrication d'une antenne selon l'invention, par exemple de l'antenne de la figure 3.

Ce procédé repose tout d'abord sur la mise en forme du monobloc de matériau 10.

On notera que le choix du matériau constitue aussi un paramètre de libertésupplémentaire pour la conception de l'antenne.

Il est proposé d'utiliser généralement un matériau diélectrique, de préférence de type mousse ou plastique, avec des caractéristiques électriques telles que sr soit relativement proche de 1 et tg(ô) de valeur la plus faible possible (sr est la permittivité relative, et tg(8) la tangente de pertes diélectriques de préférence inférieure à 10-3 dans l'invention).

La conformation du monobloc 10 peut être réalisée soit par usinage soit par moulage de la pièce désirée, à partir d'un choix de matériau approprié. La mise en forme étant effectuée, on procède alors à la métallisation sélective de toute surface profilée de la surface conformée 3, sur laquelle a été réalisé l'ergot d'adaptation 7, ainsi que de la surface conformée 4.

2883671 19 Seule une épargne circulaire au niveau de la connexion avec la ligne coaxiale 6 est aménagée sur la surface conformée 4.

Ladite métallisation peut, par exemple, être effectuée par dépôt d'une peinture conductrice ou par dépôt électrochimique d'un métal.

On notera à ce titre que la tranche (T) du monobloc support 10 est, quant à elle, non métallisée.

Enfin la ligne coaxiale 6 peut alors être connectée sur l'antenne.

Dans ce cas, une continuité électrique, par brasure ou par colle conductrice, doit être assurée, d'une part, entre le conducteur périphérique 6' positionné au niveau de l'épargne et la métallisation sur la surface 4, et d'autre part, entre le conducteur central du coaxial 6" et la partie inférieure de l'ergot d'adaptation 7.

Comme on l'aura compris d'après ce qui précède, l'âme centrale 6" traverse alors le monobloc de matériau diélectrique 10 via un petit trou de hauteur e.

Ce procédé de fabrication a l'avantage de présenter une très grande simplicité de réalisation et un faible coût.

Au niveau de la reproductibilité technologique, le fait de n'avoir qu'une seule pièce sur laquelle on réalise l'ensemble des éléments constitutifs de l'antenne, permet d'assurer une très grande maîtrise du positionnement de ces éléments, en particulier au niveau de l'espacement et de l'alignement entre les deux surfaces conformées 3 et 4.

On va présenter maintenant des exemples de réalisation détaillés de l'invention ainsi que des résultats de performances obtenues à partir de ces exemples.

La figure 13 illustre un premier exemple d'antenne ULB, laquelle se compose de deux calottes sphériques de rayon de courbure Rc = 32,5mm, symétriques 2883671 20 l'une par rapport à l'autre et de dimensions H =13mm et R = 26mm, avec un espacement entre-elles fixé à s = 3mm.

Rejoignant les bords extrêmes de ces deux calottes, la tranche (T) présentée par l'antenne correspond alors à un tronçon de cylindre de rayon R = 26mm et de hauteur 2H + S = 29mm.

L'ergot d'adaptation 7 présente, quant à lui, une géométrie cylindrique de hauteur h = 2,5mm et de diamètre d = 3,5mm.

Concernant le moyen d'excitation 6, la solution retenue correspond à l'utilisation d'un câble coaxial téflon standard, d'impédance caractéristique 50Q.

Le monobloc de matériau diélectrique 10 est une mousse d'imide de polyméthacrylate, de caractéristiques électriques sr = 1.11 et tg(8) = 7. 10-4, celles-ci étant mesurées à 5GHz.

Dans le cas présent, ce matériau 10 (monobloc de mousse par exemple) a été usiné par micro-fraisage pour réaliser de manière collective l'ensemble constitué des surfaces 3 et 4, et de l'élément d'adaptation 7 en une seule pièce.

En ce qui concerne la métallisation sélective des zones conductrices sur l'antenne, celle-ci a été effectuée sur le matériau 10 par dépôt direct d'une peinture métallique à base d'argent.

Pour ce qui concerne le fonctionnement de cette antenne, une phase de simulation a été menée à l'aide d'un logiciel de CAO électromagnétique, travaillant dans le domaine temporel.

La simulation du coefficient de réflexion 39, présentée sur la figure 14, souligne que le niveau d'adaptation de cette antenne est toujours inférieur à 2883671 21 -10dB sur l'ensemble de la bande de fréquence 3. 1GHz-10.6GHz considérée ici à titre d'exemple, ce qui est satisfaisant.

D'autre part, la figure 15 donne les diagrammes de rayonnement en azimut et en élévation pour plusieurs fréquences réparties sur toute la largeur de bande (i.e. 3.1GHz, 5.0GHz, 6.85GHz, 8.5GHz et 10.6GHz).

On constate, dans ce cas, que le rayonnement de l'antenne est bien de type omnidirectionnel dans le plan azimutal, avec une faible dispersion de la valeur du gain dans ce plan en fonction de la fréquence (respectivement: 0.6dBi, -2.4dBi, 1.ldBi, 2.4dBi et 1.7dBi pour les valeurs de fréquence précédentes).

Suite à une phase initiale de simulation des performances de l'antenne, plusieurs prototypes ont été réalisés et caractérisés en adaptation et en transmission, cette dernière mesure étant effectuée dans le plan azimutal et sur la base d'un simple bilan de liaison entre deux antennes de l'invention, séparées d'une distance D.

C

47tD J où À est la longueur d'onde, Pr la puissance reçue, G le gain des antennes, et Pe la puissance émise.

A partir de l'équation générale du bilan de liaison, il est alors possible d'en déduire la valeur expérimentale du gain de l'antenne en fonction de la fréquence, dans ce plan azimutal, et de la comparer à celle obtenue en théorie.

Les résultats expérimentaux correspondant à l'adaptation et à la valeur du gain confirment les performances simulées sur une bande de travail 3. 1GHz- 10.6GHz.

Pr = Pe.G2.

2883671 22 En se référant en particulier à la figure 16, le niveau d'adaptation 40 demeure constamment inférieur à -10dB sur toute la bande de travail.

Pour la valeur du gain dans le plan azimutal en fonction de la fréquence, la courbe mesurée 41 fait apparaître des ondulations liées à la présence de trajets multiples.

Ceux-ci existent dans la mesure où la caractérisation n'a pas été effectuée en chambre anéchoïde.

Le résultat obtenu pour le gain est donc plus qualitatif que quantitatif. Toutefois, on constate que, sur la bande d'intérêt 3.1GHz-10. 6GHz, les valeurs mesurées demeurent contenues dans la plage [-2.5dBi, 2. 5dBi], ce qui est en adéquation avec les simulations.

Un deuxième exemple de réalisation détaillée d'une antenne selon l'invention est illustré sur la figure 17.

Il s'agît ici d'une antenne ULB compacte dont les éléments 3 et 4 sont dissymétriques selon l'axe horizontal mais qui comportent une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal (Z).

La figure 18 montre une simulation du coefficient de réflexion 42 de cette antenne en fonction de la fréquence de travail.

On peut constater que ce coefficient 42 conserve un niveau inférieur à 10dB sur l'ensemble de la bande 3.1GHz-10.6GHz.

En complément, la figure 19 représente les diagrammes de rayonnement en azimut et en élévation aux mêmes fréquences que celles retenues dans le cas du premier exemple de réalisation (i.e. 3.1GHz, 5. 0GHz, 6.85GHz, 8. 5GHz et 10.6GHz).

On constate de nouveau que le rayonnement de l'antenne est toujours de type omnidirectionnel en azimut, associé à une variation faible de la valeur 2883671 23 du gain dans ce plan, en fonction de la fréquence (respectivement: 1.5dBi, -0.4dBi, -2.1dBi, 0.5dBi et 0.5dBi pour les fréquences précisées précédemment).

Sur le plan expérimental, les mesures effectuées sur cette antenne montrent qu'elle est bien adaptée puisque le niveau mesuré du coefficient de réflexion 43 reste toujours inférieur à -15dB sur toute la bande 3. 1GHz-10.6GHz (voir la figure 20).

En ce qui concerne la valeur du gain 44 dans le plan azimutal en fonction de la fréquence, celle-ci est de nouveau conforme à la simulation, avec une variation limitée sur la plage [-2dBi, 2dBi].

Finalement, un troisième exemple d'antenne est brièvement décrit cidessous et illustré à la figure 21.

La surface conformée 4 de cette antenne se présente sous la forme d'une calotte sphérique, tandis que la surface conformée supérieure 3 présente une forme à profil du type en cloche inversée et évasée sur les bords.

Des mesures expérimentales en adaptation et en gain dans le plan azimutal sont données sur la figure 22.

On peut voir, que le coefficient de réflexion 50 reste toujours inférieur à -12 dB sur l'ensemble de la bande de travail 3,1 GHz-10.6 GHz.

Cette antenne présente donc une adaptation tout à fait satisfaisante, comme dans le cas des antennes précédentes.

Pour ce qui concerne le gain 51, on peut constater qu'il varie peu avec la fréquence, sa valeur demeurant, en effet, constamment comprise dans une plage [-1,5; 1,5 dBi].

Par conséquent, ce troisième exemple de réalisation permet d'offrir des performances satisfaisantes et notamment un volume très restreint.

2883671 24 En effet, le volume de cette antenne est de 37,7 cm3, tandis que le volume occupé par le premier exemple de réalisation décrit plus haut est de 61,6 cm3. Dans le cas où l'on cherche encore à réduire le volume occupé par le type d'antenne choisi dans cet exemple, on notera qu'il a été possible de réaliser une antenne de volume 17,7 cm3, soit une diminution de 70 % par rapport au premier exemple de réalisation, tout en obtenant des performances satisfaisantes, en particulier un coefficient de réflexion toujours inférieur à -9dB dans la bande considérée et un gain dans le plan azimutal présentant également des variations avec la fréquence limitées sur un intervalle [-2dBi, 2dBi].

On constate également que cette antenne est avantageusement compacte. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée à la forme de réalisation décrite ci-dessus et représentée sur les dessins.

En conclusion, l'invention propose une antenne ultra large bande offrant une très grande souplesse de conception et permettant ainsi de satisfaire des cahiers des charges très variés.

On peut ainsi utiliser une telle antenne aussi bien dans des applications militaires que civiles (grand public ou non).

A titre d'exemple non limitatif, on peut envisager de disposer une ou plusieurs antennes de l'invention dans différents équipements tels que dans un ordinateur, un téléphone fixe ou mobile, une imprimante, une télévision, un lecteur de CD-ROM, ou plus généralement dans tout équipement où une communication sans fil est utilisée.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1 Antenne ultra large bande (1) caractérisée en ce qu'elle comporte: - une zone (2) définie entre des première (3) et deuxième (4) surfaces conformées (3, 4) présentant une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal (Z) de l'antenne, et qui sont disposées l'une en regard de l'autre par rapport à un plan orthogonal à l'axe longitudinal (Z) et contenant l'axe horizontal (X), de sorte à faire régner dans la zone (2) un champ électromagnétique dont des caractéristiques sont telles qu'un signal (5) fourni dans une région centrale de cette zone (2) se propage dans une direction azimutale, - un moyen d'excitation (6) s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal (Z) et apte à fournir le signal (5) dans la région centrale, - un moyen d'adaptation (7), associé à la première surface conformée (3), faisant saillie dans la région centrale de la zone (2) et en direction de la deuxième surface conformée (4), le moyen d'adaptation étant apte à favoriser un couplage localisé entre le moyen d'excitation (6) et ladite zone (2).

2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la zone (2) est entièrement remplie d'air.

3. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la zone (2) comporte un monobloc de matériau (10) qui possède une symétrie de révolution par rapport à l'axe longitudinal (Z).

4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que la zone (2) est entièrement remplie par le monobloc de matériau (10).

2883671 26 5. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les deux surfaces conformées (3, 4) sont formées respectivement par deux éléments distincts (3', 4').

6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que le monobloc de matériau (10) est agencé pour supporter les deux éléments distincts.

7. Antenne selon l'une des revendications 5 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre dans ladite zone (2) des entretoises et/ou des tiges dont des extrémités sont solidaires des deux éléments distincts (3', 4').

8. Antenne selon l'une des revendications 3 et 5 à 7, caractérisée en ce que le monobloc de matériau (10) possède une tranche interne (T') enfermant au moins en partie la région centrale de la zone (2).

9. Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce que la région centrale enfermée au moins en partie par la tranche interne (T') comporte de l'air.

10. Antenne selon l'une des revendications 3 à 4, caractérisée en ce que les deux surfaces conformées (3, 4) correspondent respectivement à des première et deuxième surfaces opposées du monobloc de matériau (10) de sorte que ces deux surfaces conformées et ce monobloc de matériau (10) ne forment qu'une seule pièce.

11. Antenne selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisée en ce que le monobloc de matériau (10) possède en outre une tranche externe (T) en contact avec l'air et constituant un côté extérieur de l'antenne (1).

2883671 27 12. Antenne selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisée en ce que la ou les tranches (T, T') du monobloc de matériau (10) ont un profil qui permet de contrôler les caractéristiques du champ électromagnétique dans la zone (2).

13. Antenne selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'au moins une portion du profil de la ou des tranche(s) (T, T') du monobloc de matériau (10) possède, en coupe longitudinale, une forme choisie parmi les suivantes: a. rectiligne, b. concave par rapport à l'axe longitudinal (Z), c. convexe par rapport à l'axe longitudinal (Z).

14. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, au moins une portion d'un profil (C, C') de chacune des deux surfaces conformées (3, 4) possède, en coupe longitudinale, une forme choisie parmi les suivantes: a. rectiligne, b. concave par rapport au plan orthogonal à l'axe longitudinal (Z) et contenant l'axe horizontal (X) , c. convexe par rapport au plan orthogonal à l'axe longitudinal (Z) et contenant l'axe horizontal (X).

15. Antenne selon la revendication 14, caractérisée que le profil (C, C') de l'une au moins des deux surfaces conformées (3, 4) comporte au moins un point d'inflexion.

2883671 28 16. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la deuxième surface conformée (4) comporte sensiblement en son centre un orifice, ledit orifice comportant une partie au moins du moyen d'excitation (6).

17. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une extrémité du moyen d'excitation (6) est en contact avec le moyen d'adaptation (7).

18. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen d'excitation (6) est une ligne coaxiale possédant une âme centrale (6") dont une extrémité est en contact avec le moyen d'adaptation (7).

19. Antenne selon l'une des revendications 3 à 18, caractérisée en ce que le monobloc de matériau (10) est un matériau diélectrique du type pris dans la liste suivante: mousse, plastique, céramique.

20. Antenne selon l'une des revendications 8 à 19, caractérisée en ce que la ou les tranche(s) (T, T') comporte(nt) des motifs conducteurs (11).

21. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle possède une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal (Z).

22. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'antenne est agencée pour accueillir non loin d'elle un circuit électronique (12) et pour le protéger du champ électromagnétique qu'elle rayonne.

2883671 29 23. Antenne selon la revendication 22, caractérisée en ce que le circuit électronique (12) est disposé aussi proche que possible de l'antenne (1).

24. Antenne selon l'une des revendications 22 à 23, caractérisée en ce que la deuxième surface conformée (4) forme un évidement à l'extérieur de l'antenne (1) et en ce que le circuit électronique est intégré dans cet évidement.

25. Antenne selon l'une des revendications 3 à 24, caractérisée en ce que le moyen d'adaptation (7) et le monobloc de matériau (10) sont d'une seule pièce.

26. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen d'adaptation (7) est un ergot.

27. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les deux surfaces conformées (3, 4) sont métallisées.

28. Système de télécommunication comportant une antenne selon l'une

quelconque des revendications précédentes.